BJT: tutto quello che devi sapere sul transistor bipolare

Nel nostro sezione componenti elettronici Abbiamo già parlato abbastanza dei diversi tipi di transistor commerciali. Ora è il momento di approfondire un transistor ampiamente utilizzato, è la famiglia dei Transistor BJT, cioè i transistor bipolari, così presenti in molti dispositivi elettronici che utilizziamo quotidianamente.

così puoi scopri di più su questi transistor e sulle differenze con quelli unipolari...

Cos'è un semiconduttore?

I semiconduttori Sono materiali che hanno una conduttività elettrica intermedia tra quella dei conduttori e quella degli isolanti. A differenza dei metalli (buoni conduttori) e dei non metalli (isolanti o dielettrici), i semiconduttori occupano una posizione unica che consente loro di essere manipolati per controllare il flusso di corrente elettrica.

Su struttura di cristallo, tipicamente composto da elementi come silicio o germanio, è essenziale per comprenderne il comportamento. Gli atomi di questi materiali formano una struttura cristallina in cui gli elettroni sono condivisi tra gli atomi in bande energetiche. La banda di valenza contiene elettroni strettamente legati agli atomi, mentre la banda di conduzione contiene elettroni che possono muoversi liberamente.

I materiali semiconduttori Sono essenziali nella produzione di dispositivi elettronici avanzati. Il silicio, essendo uno dei semiconduttori più utilizzati, è onnipresente nell'industria e costituisce la base di chip e microprocessori. Oltre al silicio, il germanio è un altro materiale semiconduttore comune utilizzato nelle tecnologie più vecchie. Anche i composti semiconduttori come l'arseniuro di gallio (GaAs) e il fosforene hanno acquisito importanza, soprattutto nelle applicazioni ad alta frequenza e optoelettroniche. Questi materiali consentono la creazione di dispositivi come diodi emettitori di luce (LED), transistor ad alta frequenza e sensori avanzati, dimostrando la versatilità e la vitalità dei semiconduttori all'avanguardia dell'innovazione tecnologica.

Trasportini e guida elettronica

La capacità dei semiconduttori di condurre elettricità risiede nella sua capacità di generare portatori di carica. I portatori di carica possono essere elettroni caricati negativamente o "lacune" caricate positivamente, che risultano da elettroni che sono stati spostati dalla banda di valenza alla banda di conduzione.

Quando viene applicata una tensione a un semiconduttore, gli elettroni possono passare dalla banda di valenza a quella di conduzione, creando corrente elettrica. Questo fenomeno è noto come conduzione elettronica ed è essenziale per il funzionamento dei dispositivi elettronici.

Dopanti (impurità)

Per migliorare e controllare le proprietà elettriche dei semiconduttori, Le impurità deliberate vengono introdotte nel vetro attraverso un processo chiamato doping. Gli atomi droganti possono essere del tipo donatore (aggiungendo elettroni extra) o del tipo accettore (creando lacune), cioè i primi sarebbero i cosiddetti semiconduttori di tipo N e i secondi i semiconduttori di tipo P.

I droganti introducono ulteriori livelli di energia nel banda proibita, consentendo un maggiore controllo sulla guida elettronica. Alcuni esempi comuni di droganti sono il fosforo (donatore) e il boro (accettore) per il silicio. In questo modo si possono creare zone o giunzioni per creare dispositivi come un diodo, che sostanzialmente è un'unica giunzione PN, o semiconduttori, che solitamente sono tre zone come vedremo in seguito.

Tipi di semiconduttori: intrinseci ed estrinseci

D'altra parte, per comprendere il BJT, è importante anche sapere di cosa si tratta tipi di semiconduttori Esistono, come:

• Intrinseco: Quando a un semiconduttore non vengono aggiunte impurità, viene classificato come intrinseco. In questo caso la conduzione elettrica è dovuta esclusivamente alla generazione termica di portatori di carica (coppie elettrone-lacuna).
• estrinseco: Sono il risultato di un doping intenzionale con impurità. I semiconduttori di tipo N (negativi) sono ottenuti aggiungendo droganti donatori, mentre i semiconduttori di tipo p (positivi) sono formati con droganti accettori. Questi processi consentono di regolare le proprietà elettriche dei semiconduttori in base alle esigenze specifiche delle applicazioni.

Introduzione alle giunzioni PN

La Giunzione PN È un concetto essenziale nell'elettronica dei semiconduttori che getta le basi per la creazione di dispositivi come diodi e transistor. Una giunzione PN si forma quando due regioni di un materiale semiconduttore si uniscono. Queste regioni sono la regione di tipo P (dove è predominante la concentrazione di portatori di carica positiva o di lacune) e la regione di tipo N (dove è predominante la concentrazione di portatori di carica negativa o di elettroni). La transizione tra queste due regioni crea un'interfaccia unica con proprietà elettriche speciali.

La formazione della giunzione PN Di solito avviene attraverso un processo chiamato doping, in cui le impurità vengono introdotte deliberatamente nel materiale semiconduttore. Nella regione di tipo P vengono utilizzati droganti accettori (come il boro), mentre nella regione di tipo N vengono utilizzati droganti donatori (come il fosforo), come ho detto in precedenza. Questo processo crea un gradiente di concentrazione di portatori di carica attraverso la giunzione, stabilendo così la barriera potenziale.

Da comportamiento di questa giunzione PN, ha proprietà uniche quando polarizzata in diverse direzioni:

• En polarizzazione diretta, viene applicata una tensione nella direzione che favorisce il flusso di corrente attraverso la giunzione. In questo caso i portatori di carica attraversano la barriera di potenziale consentendo la conduzione elettrica.
• Al contrario, in polarizzazione inversa, la tensione applicata agisce contro la barriera di potenziale, ostacolando il flusso di corrente. In questo stato la giunzione PN si comporta come un diodo, consentendo la conduzione in una direzione e bloccandola nella direzione opposta.

La giunzione PN è la base di molti dispositivi elettronici. I diodi, ad esempio, sfruttano la proprietà della giunzione PN per consentire il flusso di corrente in una direzione e bloccarla nell'altra. Anche i transistor, fondamentali per la logica digitale e l'amplificazione del segnale, vengono costruiti utilizzando varie giunzioni PN, come nel caso dei BJT che possono avere giunzioni NPN o PNP...

Cos'è un transistor BJT?

El transistor a giunzione bipolare (BJT o transistor a giunzione bipolare) È un dispositivo elettronico a stato solido composto da due giunzioni PN molto vicine, che consentono l'aumento di corrente, la diminuzione della tensione e il controllo del flusso di corrente attraverso i suoi terminali. La conduzione in questo tipo di transistor coinvolge portatori di carica di entrambe le polarità (buchi positivi ed elettroni negativi). I BJT sono ampiamente utilizzati nell'elettronica analogica e in alcune applicazioni di elettronica digitale, come la tecnologia TTL o BiCMOS.

La La storia dei transistor bipolari risale al 1947, quando John Bardeen e Walter Houser Brattain inventarono il transistor bipolare a contatto presso la Bell Telephone Company. Successivamente, William Shockley sviluppò il transistor a giunzione bipolare nel 1948. Sebbene siano stati essenziali per decenni, il loro utilizzo è diminuito a favore della tecnologia CMOS nei circuiti integrati digitali.

La struttura di un BJT è composta da tre regioni:

• L'emettitore (altamente drogato e funzionale come emettitore di carica)
• La base (restringe e separa l'emettitore dal collettore)
• Il collezionista (estensione maggiore).

La deposizione epitassiale è la tecnica di produzione comune. Nel funzionamento normale, la giunzione base-emettitore è polarizzata direttamente, mentre la giunzione base-collettore è polarizzata inversamente. Il principio di funzionamento prevede l Polarizzazione polarizzazione diretta della giunzione base-emettitore e polarizzazione inversa della giunzione base-collettore. Gli elettroni vengono iniettati dall'emettitore al collettore, consentendo l'amplificazione del segnale. Il BJT si caratterizza per la sua bassa impedenza di ingresso e può essere modellato come generatore di corrente controllato in tensione o come generatore di corrente controllato in corrente.

Funzionamento del transistor bipolare

Per quanto riguarda il funzionamento, abbiamo quello in un transistor a giunzione bipolare (BJT) in configurazione NPN, La giunzione base-emettitore è polarizzata in avanti e la giunzione base-collettore è polarizzata inversa.. L'agitazione termica consente ai portatori di carica provenienti dall'emettitore di attraversare la barriera di potenziale emettitore-base e raggiungere il collettore, guidati dal campo elettrico tra la base e il collettore. Nel funzionamento tipico, la giunzione base-emettitore è polarizzata direttamente, consentendo agli elettroni di essere iniettati nella regione di base e viaggiare verso il collettore. La regione di base deve essere sottile per ridurre al minimo la ricombinazione dei portatori prima di raggiungere la giunzione base-collettore. La corrente collettore-emettitore può essere controllata dalla corrente base-emettitore (controllo corrente) o dalla tensione base-emettitore (controllo tensione). In un transistor PNP è il contrario...

Differenze con il transistor unipolare

I transistor possono essere classificati in due categorie principali: bipolari e unipolari. IL differenze chiave Quello che troviamo tra i due sono:

• BJT o bipolare: Come i transistor unipolari, anche i transistor bipolari hanno portatori di carica positivi e negativi, cioè hanno nella loro struttura regioni drogate P e N. Per quanto riguarda la polarizzazione, possono essere polarizzati direttamente o inversamente, a seconda delle necessità, e possono essere di tipo NPN o PNP. Per quanto riguarda le modalità operative, possono funzionare in modalità attiva, modalità taglio e modalità saturazione. Sono controllati dalla corrente e hanno un guadagno corrente rappresentato dalla lettera β (beta). La perdita di potenza in questo caso è superiore a quella dei transistor unipolari e la sua velocità è generalmente inferiore rispetto ai transistor unipolari. Pertanto vengono spesso utilizzati, tra gli altri, negli amplificatori di segnale analogico e nella commutazione a bassa frequenza. I BJT sono più suscettibili al rumore.
• FET o unipolare: Anche i transistor unipolari o ad effetto di campo utilizzano portatori di carica, ma qui abbiamo elettroni o lacune, a seconda del tipo. La polarizzazione principale qui è inversa e le modalità operative sono principalmente in saturazione. In questo caso abbiamo transistor controllati in tensione. Il guadagno di corrente è rappresentato in questo caso dalla transconduttanza, la perdita di potenza è minore rispetto a quelle bipolari, e sono più veloci. Per questo motivo vengono spesso utilizzati per commutazioni ad alta frequenza e circuiti digitali. Quelli unipolari sono meno suscettibili al rumore.

Tipo BJT (NPN e PNP)

Come ho commentato in diverse parti dell'articolo, ci sono due tipi principali di transistor BJT:

• Transistor NPN: Fanno parte di una delle due tipologie fondamentali di transistor bipolari, dove le lettere "N" e "P" indicano i portatori di carica maggioritari presenti nelle varie regioni del dispositivo. Attualmente la maggior parte dei transistor bipolari sono di tipo NPN, poiché la mobilità degli elettroni è superiore a quella delle "buche" nei semiconduttori, consentendo quindi correnti più elevate e velocità operative più elevate. La struttura di un transistor NPN comprende uno strato di materiale semiconduttore drogato P, chiamato "base", situato tra due strati di materiale drogato N. Nella configurazione con emettitore comune, una piccola corrente che scorre nella base viene amplificata all'estremità uscita del collettore. Il simbolo del transistor NPN include una freccia che punta al terminale dell'emettitore e la direzione della corrente convenzionale durante il funzionamento attivo del dispositivo.
• Transistor PNP: Il secondo tipo di transistor bipolare, hanno le lettere "P" e "N" che si riferiscono alla maggior parte delle cariche nelle diverse regioni del dispositivo. Sebbene oggi siano meno comuni, i transistor PNP sono costituiti da uno strato di materiale semiconduttore drogato N tra due strati di materiale drogato P. Nel funzionamento tipico, il collettore è collegato a terra e l'emettitore è collegato al terminale positivo della sorgente. alimentazione tramite carico elettrico esterno. Una piccola corrente che scorre nella base consente a una corrente notevolmente maggiore di fluire dall'emettitore al collettore. La freccia nel simbolo del transistor PNP si trova sul terminale dell'emettitore e punta nella direzione della corrente convenzionale durante il funzionamento attivo del dispositivo. Nonostante la loro minore diffusione, i transistor NPN sono preferiti nella maggior parte delle situazioni grazie alle loro migliori prestazioni.

Potete vedere tutti i dettagli nelle immagini qui sopra.

Applicazioni di un BJT

I transistor a giunzione bipolare (BJT) sono utilizzati in una varietà di applicazioni in elettronica, ho già commentato alcuni casi in precedenza, ma qui vi mostro un elenco con alcune delle principali applicazioni o usi di questi transistor:

• Amplificazione del segnale: I BJT sono comunemente usati per amplificare segnali deboli, come quelli provenienti da sensori o microfoni, nei circuiti audio e in radiofrequenza.
• Commutazione: Sono utilizzati per controllare la commutazione di corrente in circuiti digitali e logici, come interruttori elettronici, per implementare porte logiche.
• Amplificatori di potenza: Sono utilizzati negli stadi di amplificazione di potenza nei sistemi audio e negli amplificatori RF (radiofrequenza). Infatti, una delle prime applicazioni per cui furono progettati questi transistor fu proprio questa, sostituendo i precedenti tubi a vuoto.
• Fonti di energia: Possono essere configurati per emettere corrente costante, utile in determinati circuiti e applicazioni di riferimento di corrente. Li troverete anche nei sistemi o nei circuiti di regolazione della tensione per mantenere una tensione costante all'uscita dell'alimentatore.
• Oscillatori: Sono utilizzati nei circuiti degli oscillatori per generare segnali periodici, come nei generatori di onde sinusoidali.
• Amplificazione RF: Nei sistemi di comunicazione, i BJT vengono utilizzati negli stadi di amplificazione del segnale a radiofrequenza.
• Modulazione di ampiezza e frequenza: Sono utilizzati nei circuiti di modulazione per alterare le caratteristiche dei segnali audio o RF. Possono anche essere implementati in alcuni sensori o rilevatori per elaborare i segnali.

Come controllare un transistor BJT

Il controllo di un transistor BJT è importante per garantirne il corretto funzionamento. Se vuoi sapere come farlo, ti servirà solo un multimetro o un multimetro che abbia questa funzione per controllare i transistor bipolari. E il modo di procedere è molto semplice, devi solo seguire questi passaggi:

• BJTNPN: Per prima cosa devi identificare i terminali o pin dell'emettitore (E), della base (B) e del collettore (C) che il tuo transistor include. A seconda del modello è possibile consultare le schede tecniche per maggiori dettagli, anche se è facile saperlo. Una volta identificati i terminali e il multimetro a portata di mano, il passo successivo è semplicemente inserire correttamente i pin negli slot previsti per questo scopo. Se il tuo multimetro non ha questa funzione, puoi utilizzare quest'altra alternativa:
  1. Metti il ​​multimetro in modalità test transistor, ovvero gira la ruota per selezionare il simbolo per misurare la tensione CC (V —).
  2. Tocca i pin desiderati con le sonde del multimetro:
     • Quando controlli la giunzione BE o base-emettitore, dovresti vedere una lettura di tensione sullo schermo tra 0.6 e 0.7 V, a seconda del transistor.
     • Quando controlli la giunzione BC o Base-Collettore, tocchi questi altri terminali e la lettura della tensione dovrebbe essere simile a quella sopra.
     • Per verificare il guadagno corrente (hFE), ruotare il quadrante di selezione sulla funzione hFE. E toccando l'emettitore e la base, e l'emettitore e il collettore con le sonde per determinare il guadagno hFE, che sarà il rapporto tra i due.
• BJT PNP: in quest'altro caso la verifica è simile, solo in modo opposto a quella di una NPN.

Se i risultati ottenuti sono valori fuori dalle aspettative, il transistor indicherà che non funziona o è difettoso e deve essere sostituito.

Dove acquistare un BJT

Se si desidera acquistare transistor BJT economici, puoi farlo presso qualsiasi negozio di elettronica o piattaforma online specializzata. Un posto dove troverai questi dispositivi BJT è su Amazon e ti consigliamo questi:

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